Глава 2

СВОЙСТВА ВОДЫ И ПРОЦЕССЫ В МОРЯХ, ОЗЕРАХ И ВОДОХРАНИЛИЩАХ*

2.1. Соленость, температура и плотность морской воды

Морская вода отличается от воды пресных водоемов горько-соленым вкусом, плотностью, прозрачностью и цветом, более агрессивным воздействием на строительные материалы и рядом других свойств, что объясняется содержанием в морской воде значительного количества растворенных твердых веществ и газов.

Благодаря сильно выраженной полярности и большому ди-польному моменту вода обладает высокой диссоциирующей спо­собностью. Поэтому морская вода, по существу, является слабым, полностью ионизированным раствором со щелочной реакцией (рН = 7Д..8,3).

Приведенное к вакууму весовое количество, выраженное в граммах, всех твердых веществ, растворенных в 1 кг морской воды, при условии, что все галогены заменены эквивалентным количеством хлора, все карбонаты превращены в оксиды и орга­нические вещества сожжены при температуре 480°С, принято называть соленостью морской воды. Обозначается соленость сим­волом S. За единицу солености принимают 1 г солей, растворен­ных в 1000 г морской воды, и называют промилле (%о)- Сред­няя соленость Мирового океана S = 35%o-

Соленость морей отличается от солености Океана, что зависит от их физико-географического положения и степени обособлен­ности от Океана. В Средиземном и Красном морях, например, соленость больше солености Океана — 38 и 41 %₀ соответственно; соленость в Черном море— 18,3%о, Каспийском— 12,8%о, в Араль­ском— 10,3% о-

Содержание солей в водах озер в еще большей степени отли­чается от средней солености Океана, что объясняется различной степенью минерализации источников питания, проточностью и кли-

* Процессы переработки берегов и перемещения наносов описываются в гл. 5.

36

магическими условиями. В пресных озерах S<1%₀, солоноватых — 1%о<5<24,7%₀, соленых — 24,7%o<S<47°/oo и минеральных — 5~>47%о- В водохранилищах вода пресная.

Установлено, что содержание растворенных минеральных ве­ществ в морской воде может изменяться в очень широких пре­делах (от 0 до 40%о), но процентное соотношение с достаточной для практических целей точностью может быть принято постоян­ным. Эта закономерность получила название постоянства солевого состава морской воды.

Оказалось возможным соленость морской воды связать с со­держанием хлора (как элемента, в наибольших количествах со­держащегося в морской воде) следующей зависимостью:

(2.1)

Зная содержание хлора как суммарное количество его в грам­мах на 1 кг воды при условии замещения хлором всех галоге­нов в %о, можно либо по указанной формуле, либо по таблицам найти соленость морской воды.

Зависимость общего содержания солей от С1~ для отдельных морей и озер отличается от (2.1) и устанавливается в каждом конкретном случае на основании исследований.

В речной воде количество растворенных веществ сильно зави­сит от физико-географических условий и колеблется от сотых долей грамм-моля до нескольких граммов на 1 л воды, но, как правило, в среднем не превышает 300...500 мг/л.

В питании озер значительную роль могут играть подземные воды с повышенной минерализацией. В зависимости от геогра­фической зоны состав минеральных веществ в воде озер и их количественное содержание меняются от 20...40 до 200...300 мг/л в зоне постоянного увлажнения. В зонах неустойчивого и недо­статочного увлажения минерализация озер увеличивается до 700 мг/л и выше.

Соленость и солевой состав озер меняется по площади, глу­бине и во времени из-за несоответствия между составом и мине­рализацией вод озера и питающих его рек и подземных источни­ков, а также в результате сезонного изменения проточности озер. На химическую неоднородность вод озера влияют размеры озера, изрезанность береговой линии, неравномерность глубины, замед­ленный водообмен и другие факторы.

Соприкасаясь с атмосферой, вода морей, озер и водохрани­лищ поглощает из воздуха содержащиеся в нем газы: кислород, азот и углекислоту. Кроме того, эти газы поступают в воду в результате химических и биологических процессов *, протекаю­щих в водоемах, и, наконец, выносятся реками.

* В результате биологических процессов в воде может накапливаться серо­водород.

37

Количество растворенных газов в воде определяется парциаль­ным давлением и растворимостью газов, которая зависит от хи­мической природы газов и уменьшается с повышением темпера­туры. Кислород и азот в силу лучшей растворимости кислорода в воде находятся в соотношении 1 : 2.

Газовый режим озер, так же как и морей, связан с распре­делением температуры и жизнедеятельностью гидробионтов. По­следний фактор особенно резко проявляется в мелких хорошо прогреваемых озерах, где за счет фотосинтеза содержание кисло­рода может резко повыситься, вплоть до перенасыщения. При наличии легко окисляющихся веществ может наблюдаться дефи­цит кислорода.

Важнейшей характеристикой воды в каком-либо водоеме яв­ляется ее температура. Нагревание поверхности воды происхо­дит в основном прямой и рассеянной солнечной радиацией, а также в результате конденсации влаги, выпадения осадков, тепло­передачи из воздуха и др. Кроме нагревания происходит и ох­лаждение воды за счет испарения, излучения тепла в атмосферу и конвективного теплообмена между океаном и атмосферой. Из­менение температуры воды может происходить также в ре­зультате горизонтальных и вертикальных перемещений масс воды.

Изменение температуры по поверхности морей, озер и водо­хранилищ зависит от зонального расположения, солености, гидро­логического режима и происходит в достаточно широком диапазоне от 0°С (для морей ~ — ГС) зимой, до 25...27°С и более летом.

Изменение температуры воды с глубиной в озерах связано с сезонными колебаниями, гидрометеорологическими условиями и морфометрическими характеристиками. В замерзающих озерах умеренной зоны наблюдаются весенне-летнее нагревание и осен­не-зимнее охлаждение воды в озерах. Весеннее нагревание начи­нается перед вскрытием ледяного покрова В это время темпера­тура воды повышается с глубиной. При нагревании воды под льдом начинается частично вертикальная циркуляция, которая полностью развивается при таянии льда. В результате вода пере­мешивается и по всей толще устанавливается одна и та же тем­пература, равная температуре придонных слоев. Дальнейшее на­гревание происходит до температуры наибольшей плотности 4°С.

В летний период нагреваются верхние слои воды и темпера­тура с увеличением глубины понижается. Эта закономерность, особенно в мелких озерах, нарушается при ветроволновом воз­действии.

Между верхним, теплым, слоем воды и нижним, холодным, формируется слой с высокими градиентами температуры по глу­бине— так называемый слой скачка, который может разрушаться в результате воздействия волнения или вертикальной конвекции, а также при осеннем охлаждении. В этот период температура по глубине выравнивается, чему способствует не только пониже-

38

ние температуры, но и усиливающиеся волнение и конвекция. При зимнем охлаждении, которое начинается после установления по всей толще воды температуры 4°С, вода быстро охлаждается в верхних слоях, вплоть до замерзания (см. ниже).

Термический режим водохранилищ имеет много общего с тер­мическим режимом мелководных озер, но в то же время обла­дает и некоторой спецификой. Весеннее нагревание преждевре­менно прекращается из-за поступления талых холодных вод с температурой 0°С с речным стоком. В дальнейшем температура воды в водохранилище повышается за счет нагревания и посту­пления теплых речных вод. Температура по площади водохрани­лища в это время распределена крайне неравномерно — колеба­ния могут достигать нескольких градусов. Летом верхние слои прогреваются, особенно на мелководье, но в котловине водохра­нилища остаются холодные воды. В осенний период под влиянием ветроволновых факторов воды водохранилища хорошо перемеши­ваются, охлаждаясь одновременно почти до 0°С. Дальнейшее зим­нее охлаждение ведет к образованию ледяного покрова (см. ниже).

Тепловые свойства морской воды мало отличаются от свойств пресной. Так, теплоемкость морской воды с„=3,91 вместо 4,2 кДж/(кг-°С) у пресной.

Теплоемкость с„ воды уменьшается с увеличением температуры, солености и давления.

В реальных условиях всегда имеет место турбулентное дви­жение жидкости и теплопередача определяется коэффициентом турбулентной теплопроводности, который в отличие от коэффи­циента молекулярной теплопроводности зависит не только от физических свойств морской воды, но и от динамических харак­теристик турбулентного движения: скорости, величины и периода ее пульсации, масштабов турбулентности, устойчивости слоев воды и др. Поэтому коэффициент турбулентной теплопроводности для разных водоемов колеблется в очень широких пределах и его величина мож^т быть на несколько порядков больше коэффи­циента молекулярной теплопроводности.

Теплота испарения морской воды принимается равной теплоте испарения дистиллированной воды. Чем меньше температура воды, тем больше теплота испарения. При температуре кипения теплота испарения наименьшая. Температура кипения воды воз­растает с увеличением ее солености и при S = 35%₀ равна 100,56°С.

Плотностью морской воды S— в океанографии принято назы­вать отношение веса единицы объема воды при температуре в момент ее наблюдения к весу единицы объема дистиллирован­ной воды при температуре 4°С. Следовательно, за плотность морской воды принимается ее удельный вес — величина безраз­мерная.

39

На глубине вода находится под давлением вышележащих сло­ев, и это давление, естественно, тем выше, чем больше глубина. В результате происходит сжатие воды и увеличение ее плот­ности. Поэтому при определении плотности или удельного объема воды на глубине необходимо учитывать ее сжимаемость, которая невелика, но если бы вода была несжимаема, то уровень океана поднялся бы на 30,4 м относительно его действительного поло­жения.